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見證 SpaceX 太空霸業的啟端:簡談要讓全世界都能上網的「星鏈計畫」

活躍星系核_96
・2019/06/01 ・2014字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 582 ・九年級
  • 文/國家實驗研究院國家太空中心
    整合測試組組長陳維鈞博士、電機組副研究員陳秀莉博士
    2019.05.25 上午2:30於美國佛羅里達州

5 月 23 日晚間 10 點 30 分,SpaceX 公司在卡納維爾角空軍基地第 40 號發射台,成功發射了攜載 60 枚星鏈計畫 (Starlink) 衛星的獵鷹九號火箭,發射 1 小時 2 分 47 秒後 60 枚衛星順利與第二節火箭分離。

SpaceX 獵鷹九號火箭發射實況
攜載60枚星鏈(Starlink)衛星的獵鷹九號火箭發射實況。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

讓所有地方都能上網!野心勃勃的「星鏈計畫」

星鏈計畫是 SpaceX 公司要以一大群通訊衛星星系,在地球上方的太空軌道上,建置低成本高性能的網際網路通訊系統,最終目的是讓地球上的每個居民都能在任何地方上網,尤其是現在地球上仍有一半將近 40 億人無法上網,這個網路通訊系統特別具有意義。

SpaceX 公司計畫以 11,900 枚衛星達成任務目標,這個數量是 62 年以來升空繞行地球太空軌道衛星總數的大約 2 倍,是仍在正常運轉衛星總數約 8 倍。2019 年美國聯邦通信委員會已通過 SpaceX 公司申請的衛星頻段與數量如下表:

表一、星鏈 (Starlink) 衛星數量、軌道與頻段。(資料來源:維基百科)

SpaceX 公司預計 2019 年起 6 年內可達成一半衛星數量的部署,9 年內達成全部部署,花費成本估計 100 億美元,預估可在 2025 年營收 300 億美元。

於軌道運行展開太陽能板的星鏈(Starlink)衛星。
(圖片來源:SpaceX Twitter)

這次上空的六十枚衛星,用上了哪些新技術?

這次發射的 60 枚衛星,每枚重量僅有 227 公斤,只有地球同步軌道通訊衛星重量的 20 分之一,主要目的有:

一、新衛星技術的驗證,包括:使用霍爾效應推進器與燃料『氪』、雙向高通量傳輸的天線、新展開型態太陽能板、高精準度星象儀、自動防撞、碎片追蹤、除役後回歸地球時在大氣層燒毀,

二、驗證新型態無線網際網路資料傳輸,

三、衛星與元件的失效率統計,作為日後衛星系統與元件設計的改進,進而尋找更低的製作成本。即使有著較低製作成本,SpaceX公司仍在這一次 beta 版 60 枚衛星的飛試一共動用了6,000人研製與測試衛星,顯示人力仍是研製衛星的重要資產。

在實現各項新技術驗證方面,可藉由發射實況舉例來說明,根據下圖,SpaceX 公司在推特上發布火箭整流艙內 60 枚衛星堆疊的照片,顯示兩排各 30 枚衛星從下到上堆疊形成四方柱體,並由四個側邊的中心點由上到下固定於下方火箭酬載轉接環上,每枚衛星有三個固定點。

60 枚 Starlink 衛星在獵鷹九號火箭整流罩艙內推疊的型態。
(圖片來自SpaceX Twitter)

再由 SpaceX公司在 Youtube 上發布的獵鷹九號發射影片觀察 60 枚衛星釋放方式,參考下圖,不同於傳統分離裝置採逐一彈射方式與火箭分離,而是採群體自由釋放,而且又要兼顧發射時固定衛星的強度,其分離機構相當耐人尋味,猜測應該是使用電能釋放形狀記憶合金裝置 (SHAPE MEMORY ALLOY, SMA, ACTUATOR)為基礎的設計。

60枚Starlink衛星與獵鷹九號第二節火箭分離狀況的影片連續圖,影片可以看出衛星左下右下角與上側中央的固定分離環。(圖片來自SpaceX Youtube影片截圖)

衛星新型態無線網際網路資料傳輸在衛星之間是採用雷射鏈結,與地面鏈結則採用 Ku 和 Ka 波段相控陣列模組及數位處理技術。SpaceX公司所採用衛星間光學雷射鏈結,其頻率高於 10,000 千兆赫 (10T Hz) 適用在太空中長距離高速通訊。

如此網際網路通訊優勢有:

一、高頻寬,比目前手機通訊高 1000 倍,

二、低訊號傳遞延遲率,比數位衛星電視快 25 倍,

三、覆蓋率幾乎普及全球、甚至涵蓋高山與海洋地區,一枚 550 公里高度的衛星約有直徑 870 公里的覆蓋範圍,乘以部署衛星總數後總覆蓋面積為地球表面積的 14 倍以上。

衛星性能若如預期,SpaceX 的太空霸業由此開始

目前與 SpaceX 公司一樣在發展低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的競爭對手有:OneWeb、三星、Telesat 與 Amazon,每家均已宣布星系計畫規模與營運模式。低軌道寬頻衛星網路通訊系統的發展趨勢使得市場取消部分對地球同步軌道通訊衛星的投資,足以顯示其重要性。

今年五月 SpaceX 公司繼 2018 年 2 月 22 日發射兩枚實驗型衛星後,率先發射高數量群集衛星升空;加上回收第一節火箭與酬載整流罩的技術,使其擁有其他公司發射載具五分之一甚至十分之一的低成本發射優勢。如果這次 60 枚衛星展示了預期的性能,SpaceX 公司就具有領先的地位並佔有發展優勢,想利用低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的營運獲利,來發展登陸火星計畫的可行性就變得相當高,那麼現在就是 SpaceX 公司太空霸業的開始了。

曠時攝影顯現獵鷹九號發射升空形成突破天際的射線。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

資料來源

 

  • 文章內使用 SpaceX 的相片經 SpaceX 同意使用。

文章難易度
活躍星系核_96
756 篇文章 ・ 70 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
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